【深度認識】棕矮星

你知道宇宙中存在一種「不夠亮」的天體？這種天體既不像太陽般洶湧熾熱，又和我們熟悉的木星難分高下。這正是被稱為「棕矮星」（Brown Dwarf）的奇異天體。說它是「失敗的恆星」或「超級行星」也不為過，也正因如此，近年來天文學家對它們著迷。而棕矮星其實與我們的日常生活，也有著意想不到的聯繫——它們是宇宙中連連「反光燈」與「暗角」之間的橋樑！

甚麼是棕矮星？「恆星」與「行星」間的模糊地帶

棕矮星（Brown Dwarf）是一種質量介乎於大型行星（例如木星）與小質量恆星（如紅矮星）之間的天體。具體而言，其質量約為13到80個木星質量（Jupiter Mass，約0.01到0.08個太陽質量），遠低於太陽，更比地球重上數十至百倍以上。不過，棕矮星的核心壓力雖然足夠引發「氘核融合」（Deuterium Fusion，即輕同位素氫-2的核反應），但不足以觸發「氫核融合」（Hydrogen Fusion），即不能像太陽般長期發光。

生活中，不妨將棕矮星比喻為「沒開啟完全火力的電熱爐」：火爐有些熱力，偶爾發亮，但始終不及真正「全開」的火爐那麼耀眼持久。這就是棕矮星的本質：與「恆星」只差一線！

棕矮星的誕生與歷史發現

棕矮星概念早於1960年代已被提出，但要直至1995年，才由天文學家Rickey D. Oppenheimer和同事正式發現第一顆（Teide 1），引證棕矮星並非想像。這改寫了天文學對「星與行星」界線的理解。

棕矮星的形成過程，其實與恆星十分相似：它們起源於分子雲（Molecular Cloud），在自身重力收縮下形成高溫高壓的核心。不過，當它們質量不夠大時，核心溫度無法達到氫融合所需的高門檻，因此「熄火」，只可短暫進行氘核融合，之後伴隨著冷卻與黯淡，成為宇宙中不太起眼的「灰姑娘」。

基本參數大比拼：棕矮星、太陽與地球

質量：棕矮星一般質量為13–80個木星質量（約0.01–0.08個太陽質量），比地球重十萬倍，卻遠低於太陽。
體積：儘管質量大，體積卻可能與木星相差無幾。例如，部分棕矮星的直徑只有地球的11–12倍，而太陽直徑則約為地球的109倍。
溫度：較年輕的棕矮星表面溫度可達約2500–3000K（攝氏約2200–2700度），但多數冷卻後降至350–2000K（攝氏約-70至1700度），比太陽表面（約5800K）低非常多。
成分：主要由氫和氦組成，並含有少量像水蒸氣、甲烷、氨等化合物。較冷的棕矮星大氣會形成雲層，如我們地球的雲。
自轉與公轉：棕矮星自轉速度可非常快，有些僅需數小時便完成一次自轉（太陽自轉一圈約25天）。公轉情況則視乎它是否繞另一恆星運行，否則多僅於銀河中游走。
離地球距離：目前已知距離最近的棕矮星為Luhman 16系統，僅約6.5光年，這比我們常說的「比鄰星」還近。

總括而言，棕矮星「不夠像太陽亮、不及木星細」，在星際之間游走，形態多樣。

棕矮星的分類與光譜特徵

天文學家根據溫度與光譜將棕矮星分為數個譜型（Spectral Class），主要有L、T、Y三類：

L型：表面較熱（約1300–2200K），帶紅色，出現金屬氧化物如氧化鐵。
T型：溫度在600–1300K，譜中特徵明顯，如甲烷吸收帶，類似木星。
Y型：極冷（低於600K），譜線帶有水，甲烷、甚至氨，像極大冷行星。

這些分類使科學家可細緻追蹤棕矮星變化，如同把冰室中的飲品分門別類，從溫度知道它們「熱還是凍」！

棕矮星如何與太陽、行星分辨？

分辨棕矮星與恆星或行星，除了質量參考值，更要看其是否進行核融合。恆星進行穩定的「氫核融合」，持續釋放能量；而棕矮星只能短暫合成氘，之後迅速冷卻。至於行星（如木星），則壓力與溫度都太低，根本無法進行任何核融合。

又比如生活中，你可以將太陽當作日光燈（恆星），木星是大號電池（行星），而棕矮星則像快用完的手電筒燈泡——偶爾發光，但力不從心。

棕矮星有甚麼趣味特點？

棕矮星並不僅僅是「失敗的恆星」這麼簡單。它們自轉極快，有些一圈僅需1.5小時，甚至更快。年輕棕矮星可能有「磁場活動」，亦即發生磁暴（如太陽黑子、閃焰）。更有趣的是，棕矮星大多數自帶一個「尚未完成」的行星系統；由於光度低，相比普通恆星附近尋找系外行星，反而更容易發現圍繞棕矮星的「超地球」（Super-Earths）或小型行星！

更令人驚訝的是，最新理論認為有些棕矮星甚至可能有「彗星」或「小行星帶」環繞，和我們太陽系有異曲同工之妙。這也讓科學家想像：如果宇宙某處的棕矮星有行星，會否產生與地球相似的生命？

全球科學家怎樣探測棕矮星？

由於棕矮星發光極弱，很難用肉眼或小型天文望遠鏡直接觀察。天文學家多以紅外線望遠鏡（Infrared Telescope）搜尋。近年，像NASA的廣域紅外線探測衛星（WISE）、Spitzer太空望遠鏡等，都成功發現超過2000顆棕矮星，包括距地球極近的Luhman 16系統和WISE 0855−0714等。

有趣的是，香港城市燈光極多，肉眼難以觀察棕矮星。不過，專家卻靠著紅外光譜和數據分析「遠距離驗明正身」。